CN111551133A - 一种带有空间角度的刀具偏心测量装置及方法 - Google Patents

一种带有空间角度的刀具偏心测量装置及方法 Download PDF

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邹岳霖
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Abstract

本发明提供了一种带有空间角度的刀具偏心测量装置，包括用于夹持待测刀具的刀具夹具，带有空间角度的刀具偏心测量装置还包括自上而下依次设置的X轴精密位移工作台、Z轴精密位移工作台和Y轴精密位移工作台，Y轴精密位移工作台固定设置在机床上，X轴精密位移工作台上表面设置有主轴对刀点和滑轨，滑轨上设置有可伸缩支架，可伸缩支架上自上而下依次设置有第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器。本发明可以在刀具不同偏心状态下对偏心角、偏心距以及偏摆角进行测量。

Description

一种带有空间角度的刀具偏心测量装置及方法
技术领域
本发明涉及微铣削加工的技术领域，更具体地，涉及一种带有空间角度的刀具偏心测量装置及方法。
背景技术
随着科技的发展，高精密仪器在未来的电子、汽年、模具、图防、医疗等行业具有明显的应用前景,近几年受到国内外广泛关注。微铣刀体型极小，在加工机理方面的主要问题就是尺寸效应、切削力系数以及刀具偏心。刀具偏心是影响加工精确性的重要因素，由于刀具主轴装夹系统误差的存在，导致刀主轴的回转中心与刀具的几何中心相互偏离，主要包括平行偏摆、平面角度偏摆以及空间角度偏摆三种不同的偏摆形式，在此以最为复杂，情况最为特殊的空间角度偏摆进行讨论。刀具空间角度偏摆即为刀具几何轴线相对于主轴旋转轴线在平行偏移的基础上叠加空间内的角度偏摆。在该刀具偏心几何模型下，刀具偏心状态需由偏心距ρ(z)、偏心角λ(z)、平面偏摆角τ和空间偏摆方位角Φ等四个参数标定，刀具的偏心量设定为刀具近底部处的数值。
目前的实验台大多都采取分度盘式，鉴于其操作复杂，转轴中心较难寻找。现有技术中，对于刀具偏心的测量通常采用铣削力实验数据代入铣削力模型进行反向标定，采用千分表测量各个刀齿旋转半径之间的差值代入理论模型进行求解；或者，直接通过激光传感器在刀柄处与刀刃处进行反馈测量，提取偏心角度和偏心量。然而，以上方式并未考虑到空间偏摆的情况，空间偏摆测量往往出现很大误差，得到的偏心量结果不准确。
因此，现有技术中亟需一种能够实现微铣削刀具的各种偏心形式的参数测量，突破常规测量装置功能单一的局限性的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种刀具在不同偏心状态下都能够高效精确地对偏心角、偏心距以及偏摆角进行测量的带有空间角度的刀具偏心测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
一种带有空间角度的刀具偏心测量装置，包括用于夹持待测刀具的刀具夹具，所述带有空间角度的刀具偏心测量装置还包括自上而下依次设置的X轴精密位移工作台、Z轴精密位移工作台和Y轴精密位移工作台，所述Y轴精密位移工作台固定设置在机床上，所述X轴精密位移工作台上表面设置有主轴对刀点和滑轨，所述滑轨上设置有可伸缩支架，所述可伸缩支架上自上而下依次设置有第一激光传感器、第二激光传感器和第三激光传感器，所述X轴精密位移工作台、所述Z轴精密位移工作台和所述Y轴精密位移工作台的侧壁上分别设置有X轴手动摇把、Y轴手动摇把和Z轴手动摇把，所述X轴精密位移工作台与所述Z轴精密位移工作台之间、所述Z轴精密位移工作台与所述Y轴精密位移工作台之间均设置有互相啮合的滑道。
所述第一激光传感器、所述第二激光传感器和所述第三激光传感器均与所述滑轨垂直。
所述第三激光传感器位于所述待测刀具的底部所在平面。
本发明还提出了如下的技术方案。
一种带有空间角度的刀具偏心测量方法，包括以下步骤：
(一)精密位移工作台位置调整：通过Y轴手动摇把调整Y轴精密位移工作台的位置，并固定在机床上，并通过X轴手动摇把调整X轴精密位移工作台的位置，使主轴对刀点对准待测刀具主轴的回转中心；
(二)传感器位置调整：调整所述可伸缩支架在滑轨上的滑动，直至所述第一激光传感器、所述第二激光传感器和所述第三激光传感器所采集的数据均达到最小，即判定所述第一激光传感器、所述第二激光传感器和所述第三激光传感器均已对准了所述待测刀具主轴的回转中心；再通过Z轴手动摇把调整Z轴精密位移工作台，使第三激光传感器接近所述待测刀具底部，然后通过调整可伸缩式支架，调整第一激光传感器和第二激光传感器在竖直方向上的位置；
(三)测量信号采集：通过机床驱动刀具夹具旋转，从而使待测刀具主轴以预设转速旋转，同时开启所述第一激光传感器、所述第二激光传感器和所述第三激光传感器，通过所述第一激光传感器和所述第二激光传感器和所述第三激光传感器采集的信号，提取计算平面偏摆角、最长有效切削半径、最短有效切削半径、偏心角和空间偏摆方位角所需的参数；
(四)分析计算：通过步骤(三)中提取的所述参数计算刀具的平面偏摆角、最长有效切削半径、最短有效切削半径、偏心角和空间偏摆方位角的所需参数。
所述参数包括刀具在所述第一激光传感器、所述第二激光传感器和所述第三激光传感器所在平面的偏心距。
本发明与现有技术相比的有益效果是：通过直线滑轨设计，使激光传感器能够水平移动，便于将刀具对齐主轴对刀点并使激光传感器对准主轴的旋转中心；巧妙利用三个激光传感器测得的偏心距，再利用几何关系计算出用于标定刀具偏心的物理量；整个装置简单、高效，可直接放置在作业用的机床上，通过机床的转动带动刀具转动，从而完成刀具不同偏心状态下偏心角、偏心距以及偏摆角的测量。
附图说明
图1是带有空间角度的刀具偏心测量装置的结构示意图。
图2为激光传感器对刀图。
图3为偏心距、偏心角的测量原理图。
图4为偏摆角测量原理图。
图5为第三激光传感器测得的跳动量与刀具旋转角度的数据曲线图。
图6为第一、第二激光传感器测得的跳动量与刀具旋转角度的数据曲线图。
图中：1、刀具夹头；2、第一激光传感器；3、第二激光传感器；4、第三激光传感器；5、可伸缩支架；6、滑轨；7、Y轴手动摇把；8、微铣刀；9、主轴对刀点；10、X轴精密位移工作台；11、X轴手动摇把；12、Z轴精密位移工作台；13、Z轴手动摇把；14、Y轴精密位移工作台。
具体实施方式
下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1-2所示的一种带有空间角度的刀具偏心测量装置，包括用于夹持待测刀具8的刀具夹具1，带有空间角度的刀具偏心测量装置还包括自上而下依次设置的X轴精密位移工作台10、Z轴精密位移工作台12和Y轴精密位移工作台14，Y轴精密位移工作台14固定设置在机床上，X轴精密位移工作台10上表面设置有主轴对刀点9和滑轨6，滑轨6上设置有可伸缩支架5，可伸缩支架5设置有多节，可以根据刀具的高度逐节伸缩来调整支架高度，以便放置传感器，并且设置有多个螺栓孔，以便支架伸缩后固定，可伸缩支架5上自上而下依次设置有第一激光传感器2、第二激光传感器3和第三激光传感器4，X轴精密位移工作台10、Z轴精密位移工作台12和Y轴精密位移工作台14的侧壁上分别设置有X轴手动摇把11、Y轴手动摇把7和Z轴手动摇把13，X轴精密位移工作台10与Z轴精密位移工作台12之间、Z轴精密位移工作台12与Y轴精密位移工作台14之间均设置有互相啮合的滑道，使彼此依次连接并相对水平滑动。
第一激光传感器2、第二激光传感器3和第三激光传感器4均与滑轨6垂直，三个传感器的安装位置除高度不同外，其余均相同。如图2所示，激光传感器通过可伸缩支架5在滑轨6上的移动以及测得的数据，来确定其是否与工作台的旋转主轴对齐。第三激光传感器4位于待测刀具8的底部所在平面，第一激光传感器2、第二激光传感器3用于测量待测刀具8的刀柄位置，第三激光传感器4用于测量待测刀具8的刀底部位置。
本实施例中采用二齿铣刀作为待测刀具8进行测量。
采用上述测量装置对带有空间角度的刀具进行偏心测量的方法，包括以下步骤：
(一)精密位移工作台位置调整：机床的夹头可以夹住并固定住刀具夹具1，刀具夹具1夹住待测刀具8，使待测刀具8竖立在X轴精密位移工作台10上，待测刀具8下端刚好抵住X轴精密位移工作台10，通过Y轴手动摇把7调整Y轴精密位移工作台14的位置，并固定在机床上，并通过X轴手动摇把11调整X轴精密位移工作台10的位置，使主轴对刀点9对准待测刀具8主轴的回转中心；
(二)传感器位置调整：调整可伸缩支架5在滑轨6上的滑动，直至第一激光传感器2、第二激光传感器3和第三激光传感器4所采集的数据均达到最小，即判定第一激光传感器2、第二激光传感器3和第三激光传感器4均已对准了待测刀具8主轴的回转中心；再通过Z轴手动摇把13调整Z轴精密位移工作台12，使第三激光传感器4接近待测刀具8底部，然后通过调整可伸缩式支架5，调整第一激光传感器2和第二激光传感器3在竖直方向上的位置；
(三)测量信号采集：设定一个旋转周期，通过机床驱动刀具夹具1旋转，从而使待测刀具8主轴以预设转速旋转，同时开启第一激光传感器2、第二激光传感器3和第三激光传感器4，在一个完整的旋转周期内采集信号，通过第一激光传感器2和第二激光传感器3和第三激光传感器4采集的信号，提取计算平面偏摆角、最长有效切削半径、最短有效切削半径、偏心角和空间偏摆方位角所需的参数，参数包括刀具在第一激光传感器2、第二激光传感器3和第三激光传感器4所在平面的偏心距；
(四)分析计算：通过步骤(三)中提取的参数计算刀具的平面偏摆角、最长有效切削半径、最短有效切削半径、偏心角和空间偏摆方位角的所需参数。
在图6所示曲线中，Δh3、Δh2和Δh1为三曲线的峰-峰值，为阐述Δh2和Δh1的关系，Δh3未在图中标注，根据图4，Δα为两曲线的相位差。
平面所在偏心距ρ求解：
偏心距(ρ)是指某一轴向片层上刀具几何中心与主轴旋转中心之间的距离
三个激光传感器测出的偏心距分别为ρ(0)，ρ(1)，ρ(2)：
根据定义可得：
顶层偏心距ρ(2)由第一激光传感器获取：
Figure BDA0002459891540000051
顶层偏心距ρ(1)由第二激光传感器获取：
Figure BDA0002459891540000052
顶层偏心距ρ(0)由第三激光传感器获取：
Figure BDA0002459891540000053
平面偏摆角τ求解：
平面偏摆角是指刀具几何轴线与主轴旋转轴线的空间夹角，为了精确的计算平面偏摆角，加上了空间偏摆对平面偏摆计算的影响。
由图4，利用余弦定理可得：
Figure BDA0002459891540000054
所以由关系式
∠OS3OS3O′t3＝τ
可得平面偏摆角：
Figure BDA0002459891540000061
最长有效切削半径和最短有效切削半径求解：
最长和最短有效切削半径指的是刀具偏心状态下相对于旋转中心轴的切削半径，也是实际切削过程中参考的重要参数。
在图5所示曲线中，Δd为A、B跳动量之差，相关参数如下：
|0A|-|0B|＝Δd……………………………①
根据图3所示，
Figure BDA0002459891540000062
OA为最长有效切削半径，OB为最短有效切削半径，根据OA和OB与峰值差的关系，如图3和图5所示，
Figure BDA0002459891540000063
利用余弦定理：
Figure BDA0002459891540000064
即得到式②：
4R2＝Δd2-2|0A||0B|(cosΦ-1)……………………………②
再由如图3所示几何关系，利用平行四边形法则，可得偏心距表达式：
Figure BDA0002459891540000065
由如图4所示，可由已知测量数据表示为：
Figure BDA0002459891540000066
由上式①②③④解方程可计算得到最大和最小切削半径：|0A|、|0B|。
偏心角λ(0)求解：
偏心角，即某一轴向片层上刀具偏心方向与其相邻且最近刀步夹角，如图3所示：
λ＝β
根据对顶角定理可知：
∠BO1O＝β
由余弦定理可得第三激光传感器位置的：
Figure BDA0002459891540000067
Figure BDA0002459891540000071
化简后得到：
Figure BDA0002459891540000072
空间偏摆方位角ψ(0)求解：
偏摆方位角指刀具几何轴线偏摆平面与主轴旋转轴线所在平面的夹角。
如图4所示，其中|Z1|为第二激光传感器和第三激光传感器的距离，所以对于第三激光传感器所在平面，也就是刀具底部的偏摆方位角:
Figure BDA0002459891540000073
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带有空间角度的刀具偏心测量装置，包括用于夹持待测刀具(8)的刀具夹具(1)，其特征是，所述带有空间角度的刀具偏心测量装置还包括自上而下依次设置的X轴精密位移工作台(10)、Z轴精密位移工作台(12)和Y轴精密位移工作台(14)，所述Y轴精密位移工作台(14)固定设置在机床上，所述X轴精密位移工作台(10)上表面设置有主轴对刀点(9)和滑轨(6)，所述滑轨(6)上设置有可伸缩支架(5)，所述可伸缩支架(5)上自上而下依次设置有第一激光传感器(2)、第二激光传感器(3)和第三激光传感器(4)，所述X轴精密位移工作台(10)、所述Z轴精密位移工作台(12)和所述Y轴精密位移工作台(14)的侧壁上分别设置有X轴手动摇把(11)、Y轴手动摇把(7)和Z轴手动摇把(13)，所述X轴精密位移工作台(10)与所述Z轴精密位移工作台(12)之间、所述Z轴精密位移工作台(12)与所述Y轴精密位移工作台(14)之间均设置有互相啮合的滑道。
2.根据权利要求1所述的带有空间角度的刀具偏心测量装置，其特征是，所述第一激光传感器(2)、所述第二激光传感器(3)和所述第三激光传感器(4)均与所述滑轨(6)垂直。
3.根据权利要求1所述的带有空间角度的刀具偏心测量装置，其特征是，所述第三激光传感器(4)位于所述待测刀具(8)的底部所在平面。
4.一种带有空间角度的刀具偏心测量方法，其特征是，包括以下步骤：
(一)精密位移工作台位置调整：通过Y轴手动摇把(7)调整Y轴精密位移工作台(14)的位置，并固定在机床上，并通过X轴手动摇把(11)调整X轴精密位移工作台(10)的位置，使主轴对刀点(9)对准待测刀具(8)主轴的回转中心；
(二)传感器位置调整：调整所述可伸缩支架(5)在滑轨(6)上的滑动，直至所述第一激光传感器(2)、所述第二激光传感器(3)和所述第三激光传感器(4)所采集的数据均达到最小，即判定所述第一激光传感器(2)、所述第二激光传感器(3)和所述第三激光传感器(4)均已对准了所述待测刀具(8)主轴的回转中心；再通过Z轴手动摇把(13)调整Z轴精密位移工作台(12)，使第三激光传感器(4)接近所述待测刀具(8)底部，然后通过调整可伸缩式支架(5)，调整第一激光传感器(2)和第二激光传感器(3)在竖直方向上的位置；
(三)测量信号采集：通过机床驱动刀具夹具(1)旋转，从而使待测刀具(8)主轴以预设转速旋转，同时开启所述第一激光传感器(2)、所述第二激光传感器(3)和所述第三激光传感器(4)，通过所述第一激光传感器(2)和所述第二激光传感器(3)和所述第三激光传感器(4)采集的信号，提取计算平面偏摆角、最长有效切削半径、最短有效切削半径、偏心角和空间偏摆方位角所需的参数；
(四)分析计算：通过步骤(三)中提取的所述参数计算刀具的平面偏摆角、最长有效切削半径、最短有效切削半径、偏心角和空间偏摆方位角的所需参数。
5.根据权利要求4所述的带有空间角度的刀具偏心测量方法，其特征是，所述参数包括刀具在所述第一激光传感器(2)、所述第二激光传感器(3)和所述第三激光传感器(4)所在平面的偏心距。
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